Советский психофизиолог. Создал и применил новые методы исследования - кимоциклографию и циклограмметрию, с помощью которых изучал движения человека (в процессе труда, во время занятий спортом; фортепианной игры; при поражениях нервной системы; при пользовании протезами конечностей и др.). Анализ полученных результатов позволил Бернштейну сформулировать положение о том, что приобретение навыка обусловлено не повторением одних и тех же иннервационных команд, а выработкой умения каждый раз заново решать двигательную задачу.
Бернштейн показал, что движение направляется моделью потребного будущего. Изучение моторики людей с различными поражениями нервной системы позволило не только принципиально изменить представление о локализации функций в нервной системе, но и предложить эффективные приемы восстановления нарушенных функций, что оказалось очень важным для лечения раненых в период Великой Отечественной войны.
В послевоенные годы идеи Бернштейна были использованы при конструировании шагающих автоматов и разработке соответствующих управляющих устройств на основе ЭВМ. Созданная им общая теория построения движений (Концепция "Уровни построения движения") изложена в монографии "О построении движения" (1947). Последующие работы Бернштейна посвящены изучению основ физиологии активности.